JP5812623B2 - 高強度ポーラスコンクリート組成物および高強度ポーラスコンクリート硬化体 - Google Patents

Description

本発明は、透水係数が高い、高強度ポーラスコンクリート組成物と、その硬化体に関する。

従来、ポーラスコンクリートは、歩道、広場、駐車場などの透水性舗装や、透水性ブロックなどに使用されてきた。そして、透水性コンクリート舗装は、透水性アスファルト舗装と比べ、（１）曲げ強度や圧縮強度が高いため、交通荷重による轍の発生や空隙つぶれが少なく、（２）保水性が高く雨水の一時貯留性を有しているため、路面の温度上昇を抑える効果に優れ、（３）供用寿命が数十年と長く、リサイクルが可能なことなどが利点として挙げられる。そして、昨今、温暖化対策や公共構造物の長寿命化が、ますます求められていることから、高透水性かつ高強度という、相反する特性を兼備したポーラスコンクリートは、これらの要望に応えることができる材料として期待されている。

かかる状況を受けて、特許文献１には、透水性コンクリート舗装用結合材および透水性コンクリート舗装が提案されている。
すなわち、該結合材は、少なくとも、セメント、ポゾラン質微粉末、粒径が２ｍｍ以下の細骨材、減水剤、および、水を含むものである。そして、該結合材を用いて製造した舗装版の曲げ強度は５．５ＭＰａで、透水係数は０．７ｃｍ／ｓｅｃである（段落００２６）。これに更に繊維を含む舗装版の曲げ強度は７．０ＭＰａで、透水係数は０．６５ｃｍ／ｓｅｃである（段落００２８）。また、更に繊維状粒子等を含む舗装版の曲げ強度は７．５ＭＰａで、透水係数は０．６３ｃｍ／ｓｅｃである（段落００３０）。

上記のように、該舗装版の透水係数は、０．６３〜０．７ｃｍ／ｓｅｃである。この舗装版では、低下した透水性等の機能回復のためにおこなうメンテナンスの間隔を長くすることができる。しかしながら、メンテナンス中は道路等を閉鎖する必要があることから、メンテナンスの間隔をより延長することができる透水性舗装が求められていた。
また、曲げ強度を高めるために、繊維を該結合材に混合すると、コンクリートの流動性が低下して、舗装作業に時間がかかり、交通解放が大幅に遅れるという問題もあった。
したがって、透水係数が更に高く、繊維を用いない高強度ポーラスコンクリートが求められていた。

特開２００１−１８１００９号公報

したがって、本発明は、前記メンテナンスの間隔をより延長することができる、透水係数が０．８ｃｍ／ｓｅｃ以上の高強度ポーラスコンクリートを提供することを目的とする。

そこで、本発明者は、前記課題を解決するために鋭意検討した結果、特定の範囲の比表面積を有する混和材を含み、特定の範囲のモルタル粗骨材空隙比やペースト細骨材空隙比等を有するポーラスコンクリート硬化体は、透水係数が０．８ｃｍ／ｓｅｃ以上と大きいにもかかわらず、強度が十分に高いことを見い出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、以下の［１］〜［４］を提供する。
［１］粗骨材、細骨材、水、および、下記の結合材を、少なくとも含む高強度ポーラスコンクリート組成物であって、
水結合材比が１０〜１６％、下記組成を有する結合材の単位量が３７３〜３９４ｋｇ／ｍ ^３ 、単位モルタル量が５７４〜５９０ｋｇ／ｍ ^３ 、モルタル粗骨材空隙比が０．３５〜０．９５、および、ペースト細骨材空隙比が１．０以上であり、かつ
該高強度ポーラスコンクリート組成物の硬化体の透水係数が１．２１〜２．０ｃｍ／ｓｅｃ、および曲げ強度が４．５Ｎ／ｍｍ^２以上である、高強度ポーラスコンクリート組成物。
結合材：下記の混和材（Ａ）とセメントの合計１００質量％に対し、混和材（Ａ）を２０〜３０質量％、およびセメントを７０〜８０質量％からなる混合物
混和材（Ａ）：ＢＥＴ比表面積が１５〜２５ｍ^２／ｇのポゾラン質微粉末を５〜５５質量％、ブレーン比表面積が７０００〜１２０００ｃｍ^２／ｇの高炉スラグ粉末を２０〜８０質量％、および、ブレーン比表面積が３０００〜１２０００ｃｍ^２／ｇの無水石膏を１５〜４０質量含有する混合物
［２］前記［１］に記載の高強度ポーラスコンクリート組成物を硬化させてなる、高強度ポーラスコンクリート硬化体。
［３］圧縮強度が２０Ｎ／ｍｍ^２以上である、前記［２］に記載の高強度ポーラスコンクリート硬化体。
［４］空隙率が１５〜２８％である、前記［２］または［３］に記載の高強度ポーラスコンクリート硬化体。

［３］透水係数が０．８〜２．０ｃｍ／ｓｅｃである、前記［２］に記載の高強度ポーラスコンクリート硬化体。
［４］曲げ強度が４．５Ｎ／ｍｍ^２以上である、前記［２］または［３］に記載の高強度ポーラスコンクリート硬化体。
［５］圧縮強度が２０Ｎ／ｍｍ^２以上である、前記［２］〜［４］のいずれか１項に記載の高強度ポーラスコンクリート硬化体。
［６］空隙率が１５〜２８％である、前記［２］〜［５］のいずれか１項に記載の高強度ポーラスコンクリート硬化体。

本発明によれば、透水係数が０．８ｃｍ／ｓｅｃ以上の高強度ポーラスコンクリート硬化体等を提供することができる。
また、該硬化体は、透水性舗装や透水性ブロックとして用いた場合に、低下した透水性等の機能回復のためにおこなうメンテナンスの間隔を大幅に延長することができる。
さらに、該硬化体は、都市型集中豪雨にも、十分、対応することができる。

本発明は、上述のとおり、結合材、粗骨材、細骨材、および、水を、少なくとも含む高強度ポーラスコンクリート組成物であって、水結合材比が１０〜２０％、モルタル粗骨材空隙比が０．３５〜０．９５、および、ペースト細骨材空隙比が１．０以上である高強度ポーラスコンクリート組成物（以下「組成物」という。）と、これが硬化してなる高強度ポーラスコンクリート硬化体（以下「硬化体」という。）である。
以下に、本発明について詳細に説明する。

結合材
結合材は、（１）ＢＥＴ比表面積が１５〜２５ｍ^２／ｇのポゾラン質微粉末、（２）ブレーン比表面積が４０００〜１２０００ｃｍ^２／ｇの高炉スラグ粉末、および、（３）ブレーン比表面積が３０００〜１２０００ｃｍ^２／ｇの無水石膏（以下「混和材（Ａ）」という。）、並びに、（４）セメントからなる混合物である。

前記結合材の組成は、好ましくは、混和材（Ａ）の含有率が１０〜５０質量％、および、セメントの含有率が５０〜９０質量％であり、より好ましくは、混和材（Ａ）の含有率が２０〜４０質量％、および、セメントの含有率が６０〜８０質量％である。混和材（Ａ）の含有率が１０質量％未満で、セメントの含有率が９０質量％を超えると、硬化体の透水係数を高めることが困難になり、混和材（Ａ）の含有率が５０質量％を超え、セメントの含有率が５０質量％未満では、硬化体の強度発現性が低下する。

また、前記混和材（Ａ）の組成は、好ましくは、ポゾラン質微粉末の含有率が５〜５５質量％、高炉スラグ粉末の含有率が２０〜８０質量％、および、無水石膏の含有率が１５〜４０質量％であり、より好ましくは、ポゾラン質微粉末の含有率が１０〜４０質量％、高炉スラグ粉末の含有率が３０〜６０質量％、および、無水石膏の含有率が２０〜３５質量％である。混和材（Ａ）の組成が該範囲を外れると、硬化体の長期強度の発現性が、低下する場合がある。

次に、結合材に含まれる各成分について説明する。
（１）ポゾラン質微粉末
ポゾラン質微粉末は、単独では水硬性はないが、水酸化カルシウムがあれば、水中で反応して不溶性のゲルを生成し硬化する物質である。
そして、本発明で用いるポゾラン質微粉末として、例えば、シリカフューム、シリカダスト、フライアッシュ、スラグ、火山灰、シリカゾル、沈降性シリカなどが挙げられる。これらの中でも、シリカフュームやシリカダストは、その平均粒径が１μｍ以下であって粉砕する必要がないため好適である。ここで、粉砕手段として、ボールミルやロッドミルなどが使用できる。

また、該ポゾラン質微粉末のＢＥＴ比表面積は、通常、１５〜２５ｍ^２／ｇであり、好ましくは１７〜２３ｍ^２／ｇ、より好ましくは１８〜２２ｍ^２／ｇである。該比表面積が１５〜２５ｍ^２／ｇの範囲を外れると、透水係数が減少するほか、組成物の打設時の作業性が低下する場合がある。

（２）高炉スラグ粉末
本発明で用いる高炉スラグ粉末として、ＪＩＳ Ａ ６２０６に規定するコンクリート用高炉スラグ微粉末のほか、さらに該微粉末を粉砕したものが用いられる。
高炉スラグ粉末の粉末度は、通常、ブレーン比表面積が４０００〜１２０００ｃｍ^２／ｇであり、好ましくは５０００〜１００００ｃｍ^２／ｇである。該比表面積が４０００ｃｍ^２／ｇ未満では潜在水硬性が低く、１２０００ｃｍ^２／ｇを超えると、粉砕の手間が増大してコスト高になる。ここで、粉砕手段として、ボールミルやロッドミルなどが使用できる。

（３）無水石膏
本発明で用いる無水石膏として、天然無水石膏のほか、石膏ボード等の石膏廃材を加熱処理して得られる再生無水石膏が挙げられる。
また、無水石膏の粉末度は、通常、ブレーン比表面積が３０００〜１２０００ｃｍ^２／ｇであり、好ましくは４０００〜１００００ｃｍ^２／ｇである。該比表面積が３０００ｃｍ^２／ｇ未満では、硬化体の強度発現性が低く、１２０００ｃｍ^２／ｇを超えると、粉砕の手間が増大してコスト高になる。

（４）セメント
本発明で用いるセメントとしては、ポルトランドセメント、普通エコセメント、フライアッシュセメントやシリカセメントが挙げられる。ポルトランドセメントは、例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント等から選ばれる、少なくとも１種以上が挙げられる。これらの中でも、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、または、超早強ポルトランドセメントは、早期に強度を発現することができる。また、中庸熱ポルトランドセメントは、化学抵抗性や長期の強度が向上する。

また、前記ポルトランドセメントは、３ＣａＯ・ＳｉＯ_２を４５〜８０質量％、および、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３を４〜２０質量％含むものが、より好ましく、３ＣａＯ・ＳｉＯ_２を５０〜７５質量％、および、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３を５〜１５質量％含むものが、更に好ましい。３ＣａＯ・ＳｉＯ_２の含有率が４５〜８０質量％、および、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３の含有率が４〜２０質量％の範囲を外れると、組成物の強度発現性が低下する場合がある。

粗骨材、細骨材、水
本発明で用いる粗骨材は、特に限定されず、例えば、砂利、砕石、スラグ粗骨材、軽量粗骨材等、または、これらの混合物が挙げられる。
また、細骨材は、特に限定されず、例えば、川砂、山砂、陸砂、海砂、砕砂、硅砂、スラグ細骨材、軽量細骨材等、または、これらの混合物が挙げられる
かかる粗骨材や細骨材は、天然骨材のほか再生骨材も用いることができる。

本発明で用いる水も、特に限定されず、水道水やスラッジ水等を用いることができる。また、水結合材比（Ｗ／Ｐ：１００×水の質量／結合材の質量）は、通常、１０〜２０％であり、好ましくは１２〜１８％である。水結合材比が１０％未満では、セメントの水和に必要な水が不足して硬化が不十分になるおそれがある。また、該比が２０％を超えると、モルタルによって硬化体中の空隙が埋められて、空隙率が低下するとともに、硬化体の強度が低下する。
また、前記組成物の水結合材比を低くしつつ、所定の流動性を得るために、減水剤、高性能減水剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤等から選ばれる、少なくとも１種以上を用いることができる。これらの減水剤として、リグニンスルホン酸塩系、ナフタレンスルホン酸塩系、メラミンスルホン酸塩系、および、ポリカルボン酸塩系のものが挙げられる。
なお、本発明の組成物は、他に、収縮低減剤、ＡＥ剤、膨張材、顔料、石炭灰などの混和剤や混和材を含んでもよい。

モルタル粗骨材空隙比
モルタル粗骨材空隙比（Ｋｍ）は、配合特性を表す指標の一つであって、粗骨材を締め固めた状態における粗骨材間の空隙量に対する、モルタルの体積の比を表し、以下の（１）式により算出することができる。

（式中、ｍは単位モルタル体積（ｍ^３）を表し、Ｖｇはコンクリート１ｍ^３中の粗骨材の実績率から算出される空隙の体積（ｍ^３）を表し、ｇは単位粗骨材体積（ｍ^３）を表し、Ｇｇは粗骨材の実積率（％）を表す。）

本発明の組成物のモルタル粗骨材空隙比は、通常、０．３５〜０．９５であり、好ましくは、０．４０〜０．９０であり、より好ましくは、０．４５〜０．８５である。該比が０．３５未満では、硬化体の空隙率が高すぎて、十分な強度を得ることができない場合があり、０．９５を超えると、硬化体の空隙率が低すぎて、所定の透水性を得ることができない場合がある。

ペースト細骨材空隙比
ペースト細骨材空隙比（Ｋｐ）も、配合特性を表す指標の一つであって、細骨材を締め固めた状態における細骨材間の空隙量に対する、セメントペーストの体積の比を表し、以下の（２）式により算出することができる。

（式中、ｐは単位ペースト体積（ｍ^３）を表し、Ｖｓはコンクリート１ｍ^３中の細骨材の実績率から算出される空隙の体積（ｍ^３）を表し、ｓは単位細骨材体積（ｍ^３）を表し、Ｇｓは細骨材の実積率（％）を表す。）

本発明の組成物のペースト細骨材空隙比は、通常、１．０以上であり、好ましくは、１．０〜９．０であり、より好ましくは、２．０〜８．０である。該比が１．０未満では、強度発現性が低下し、打設時の作業性も低下する。なお、該比が９．０を超えると、実積率を確保し難く、透水係数が低下するおそれがある。

高強度ポーラスコンクリート硬化体
（１）硬化体の透水係数、空隙率、曲げ強度、および、圧縮強度
硬化体の透水係数は、好ましくは、０．８〜２．０ｃｍ／ｓｅｃであり、より好ましくは、１．０〜１．８ｃｍ／ｓｅｃである。該係数が０．８ｃｍ／ｓｅｃ未満では、透水性が十分でなく、２．０ｃｍ／ｓｅｃを超えると、強度が低下する場合がある。

また、硬化体の空隙率は、好ましくは、１５〜２８％であり、より好ましくは、１８〜２５％である。一般に、空隙率と透水係数の間には相関があり、前記透水係数を得るためには、硬化体の空隙率は、１５〜２８％の範囲が好ましい。
ここで、空隙率の算出方法は、以下の（i）〜（iv)のとおりである。
（i）内径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍの鋼製型枠に、組成物を所定の質量（Ｗ_ｔｐ）投入し、その上に所定の質量（例えば、４ｋｇ）のおもりを載置して振動台に乗せ、振動を加えて締め固める。
（ii）該組成物が硬化した後に脱型し、取り出した硬化体の直径と高さを測定して、硬化体のかさ体積（Ｖ_ｔｐ）を求める。
（iii）配合に基づき、空気が全くないものとして計算した硬化体の理論体積質量（Ｔ_ｃ）を計算して求める。
（iv)下記（３）式に、上で求めた数値を代入して、空隙率（Ｖ_ｖｔ）を算出する。

（式中、Ｖ_ｖｔは空隙率（％）を表し、Ｗ_ｔｐは測定に用いた組成物の質量（ｋｇ）を表し、Ｖ_ｔｐは硬化体のかさ体積（ｍ^３）を表し、Ｔ_ｃは硬化体の理論体積質量（ｋｇ／ｍ^３）を表す。）

硬化体の材齢２８日における曲げ強度は、好ましくは、４．５Ｎ／ｍｍ^２以上であり、より好ましくは、５．０Ｎ／ｍｍ^２以上である。該強度が４．５Ｎ／ｍｍ^２未満では、軽交通用車道に要求される曲げ強度の基準値（４．５Ｎ／ｍｍ^２）を満たさない。
また、硬化体の材齢２８日における圧縮強度は、好ましくは、２０Ｎ／ｍｍ^２以上であり、より好ましくは、２２Ｎ／ｍｍ^２以上である。該強度が２０Ｎ／ｍｍ^２以上であれば、軽交通用車道に要求される圧縮強度（１６Ｎ／ｍｍ^２以上）を十分に満たすことができる。

（２）硬化体の製造方法
硬化体は、配合物を二軸強制練りミキサー等で混練した後、該混練物（組成物）を型枠に投入し、敷均し機や加圧振動機などにより締め固めて、製造することができる。なお、透水性舗装のように、早期の強度発現が必要な硬化体の場合は、必要に応じて、加熱養生や蒸気養生などを施してもよい。また、長期に亘る強度発現が必要な場合は、必要に応じて、密閉養生や水中養生などを施してもよい。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
１．使用した材料
（１）混和材（Ａ）
以下の３成分からなる混和材で、実施例１〜５に用いた。
（i）シリカフューム（ＢＥＴ比表面積２０ｍ^２／ｇ）：３０質量％
（ii）高炉スラグ微粉末（ブレーン比表面積７０００ｃｍ^２／ｇ）：４０質量％
（iii）天然無水石膏（ブレーン比表面積４０００ｃｍ^２／ｇ）：３０質量％
（２）混和材（Ｂ）
シリカフューム（ＢＥＴ比表面積１０ｍ^２／ｇ、平均粒径０．７μｍ）のみからなる混和材で、比較例１、２に用いた。
（３）混和材（Ｃ）
シリカフューム（ＢＥＴ比表面積２０ｍ^２／ｇ）のみからなる混和材で、比較例３に用いた。
（４）ポルトランドセメント
普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社製）
Ｃ_３Ｓ：６３質量％、Ｃ_２Ｓ：１１質量％、Ｃ_３Ａ：９質量％、Ｃ_４ＡＦ：９質量％
（５）細骨材
静岡県掛川市産の山砂
（６）粗骨材
茨城県桜川市産の硬質砂岩砕石１３０５
（７）高性能ＡＥ減水剤
商品名：レオビルドＳＰ８ＨＶ_Ｓ
Ｘ_２（ＢＡＳＦポゾリス社製）

２．透水係数等の試験方法
表１に示す配合に従って配合物を調製した後、該配合物を二軸強制練りミキサーで混練して、組成物（フレッシュコンクリート）を作製した。
前記作製した組成物を用い、透水係数、材齢２８日における曲げ強度、および、材齢２８日における圧縮強度を、それぞれ、ＪＣＩ−ＳＰＯ３、ＪＩＳ Ａ １１０６、および、ＪＩＳ Ａ １１０８に準じて測定した。

また、内径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍの鋼製型枠に、前記作製した組成物２．６ｋｇを投入し、その上に４ｋｇのおもりを載置して、振動台に乗せ、振動数３０００ｒｐｍで、６０秒間、振動を加えて締め固めた。次に、該組成物が硬化した後に脱型し、取り出した硬化体の直径と高さを測定して、硬化体のかさ体積を求めた。さらに、表１の配合に基づき、空気が全くないものとして、硬化体の理論体積質量を算出した。さらに、前記組成物の質量（２．６ｋｇ）、硬化体のかさ体積、および、硬化体の理論体積質量を、前記（３）式に代入して空隙率を算出した。
以上の全ての結果を表２に示す。

透水係数と空隙率について
表２に示すように、結合材が、シリカフュームのみの混和材と普通ポルトランドセメントからなる比較例１〜３では、透水係数が０．４５〜０．６５ｃｍ/ｓｅｃといずれも低い。
これに対して、結合材が混和材（Ａ）と普通ポルトランドセメントとからなる実施例１〜３、および参考例１、２では、透水係数が１．１６〜１．２７ｃｍ/ｓｅｃであり、いずれも、本発明において目標とする透水係数０．８ｃｍ/ｓｅｃを十分に満たすことができ、また、空隙率も２２．３〜２５．０％と高い。

曲げ強度と圧縮強度について
表２に示すように、実施例１〜３、および参考例１、２において、曲げ強度が４．９２〜５．１１Ｎ/ｍｍ^２、圧縮強度が２３．５〜２９．５であり、いずれも、軽交通用車道に要求される、曲げ強度４．５Ｎ/ｍｍ^２、および、圧縮強度１６Ｎ/ｍｍ^２よりも十分に高い。

３．メンテナンス間隔の評価
表２の参考例１および比較例３のポーラスコンクリート（透水係数測定用硬化体）のメンテナンス間隔の評価を下記方法で行った。
（１）硬化体（１００×１００×２００ｍｍ）の測定面（２００ｃｍ^２）に対して、１５０ｇの石灰粉（粒径１００μｍ以下、土や細かい砂を模擬したもの）を均一に広げ、その上に水を１５００ｃｍ^３流した。
（２）前記（１）の操作を１０回繰り返した。
（３）前記１０回繰り返した後の硬化体の透水係数を、ＪＣＩ−ＳＰＯ３に準じて測定した。
その結果、参考例１のポーラスコンクリートでは、透水係数は０．９５ｃｍ/ｓｅｃであり、十分な透水性を維持していた。一方、比較例３のポーラスコンクリートでは、透水係数は０．０８ｃｍ/ｓｅｃであり、透水性は大きく低下した。

上記の結果から、本発明の高強度ポーラスコンクリート硬化体は、透水性舗装や透水性ブロックとして用いた場合に、以下の効果を奏するものと期待される。
（i）該硬化体はメンテナンス間隔を大幅に延長することができる。
（ii）該硬化体は透水性が高いため、都市型集中豪雨にも、十分、対応することができる。
（iii）該硬化体は曲げ強度や圧縮強度が高いため、軽交通用車道に使用しても、交通荷重による轍の発生や空隙つぶれがより少なく、供用年数を更に延長することができる。

本発明の高強度ポーラスコンクリート硬化体は、透水係数が０．８ｃｍ／ｓｅｃ以上であるため、透水性舗装や透水性ブロックとして有用である。

Claims (4)

1. 粗骨材、細骨材、水、および、下記の結合材を、少なくとも含む高強度ポーラスコンクリート組成物であって、
   水結合材比が１０〜１６％、下記組成を有する結合材の単位量が３７３〜３９４ｋｇ／ｍ ^３ 、単位モルタル量が５７４〜５９０ｋｇ／ｍ ^３ 、モルタル粗骨材空隙比が０．３５〜０．９５、および、ペースト細骨材空隙比が１．０以上であり、かつ
   該高強度ポーラスコンクリート組成物の硬化体の透水係数が１．２１〜２．０ｃｍ／ｓｅｃ、および曲げ強度が４．５Ｎ／ｍｍ^２以上である、高強度ポーラスコンクリート組成物。
   結合材：下記の混和材（Ａ）とセメントの合計１００質量％に対し、混和材（Ａ）を２０〜３０質量％、およびセメントを７０〜８０質量％からなる混合物
   混和材（Ａ）：ＢＥＴ比表面積が１５〜２５ｍ^２／ｇのポゾラン質微粉末を５〜５５質量％、ブレーン比表面積が７０００〜１２０００ｃｍ^２／ｇの高炉スラグ粉末を２０〜８０質量％、および、ブレーン比表面積が３０００〜１２０００ｃｍ^２／ｇの無水石膏を１５〜４０質量％含有する混合物
2. 請求項１に記載の高強度ポーラスコンクリート組成物を硬化させてなる、高強度ポーラスコンクリート硬化体。
3. 圧縮強度が２０Ｎ／ｍｍ^２以上である、請求項２に記載の高強度ポーラスコンクリート硬化体。
4. 空隙率が１５〜２８％である、請求項２または３に記載の高強度ポーラスコンクリート硬化体。